浙江冠宇园区2MW4.588MWh储能项目方案

浙江冠宇电池有限公司2MW/4MWh储能系统设计方案拟制：审核：会签：批准：地址：广东省珠海市斗门区井岸镇珠峰大道209号Email：P地址：广东省珠海市斗门区井岸镇珠峰大道209号Email：Public@|电话：+86-756-6321999+86-756-6321900修订记录日期版本修订内容责任人2022.8.31Rev0初版发行李冠锋2022.9.1Rev1设计参数调整；架构优化李冠锋2022.9.26Rev2参数调整李冠锋地址：广东省珠海市斗门区井岸镇珠峰大道209号Email：P地址：广东省珠海市斗门区井岸镇珠峰大道209号Email：Public@|电话：+86-756-6321999+86-756-6321900 目录TOC\o"1-5"\h\z\u一设计背景 一设计背景随着我国低碳、绿色能源战略的推进，新一轮电力体制改革配套政策的落实，尤其是能源互联网的兴起，社会用能方式和要求得到了天翻地覆的革命性变化，目前常规发电辅助服务手段已不足以完全满足社会发展和人们工作生活的需要，储能的应用价值逐渐得到了市场的认可，成为了推进我国能源变革和能源结构调整的技术亮点，在各级政府部门出台储能政策的支持下，储能应用领域更加明晰。我国庞大的工业用电规模决定了用户侧储能市场想象空间巨大，储能电站降低度电成本和容量电价支出，已具备经济性。大工业用电多采取两部制电价，即电度电价和容量电价。电度电价计价由用户的用电量决定，容量电价由用户最大用电需求功率或最大变压器功率决定。电度电价根据时段划分为峰谷平电价，随着电力现货的推进，峰谷差价正逐步拉大，使得用户侧电力削峰填谷具备了盈利模式；对于一些特定生产负荷曲线的用户，储能可以降低最大需量及变压器容量配置，以此降低其基本电费。除此之外，用户侧储能还可为用户提供后备电源、参与电力需求侧响应、改善电能质量、参与电网调峰补偿等等多种增值服务。浙江冠宇动力有限公司储能项目位于浙江省嘉兴市海盐县，坐落于浙江冠宇动力有限公司院内。该系统以储能集装箱为载体，装机容量为2MW/4MWh，系统的主要用途为电力削峰填谷，通过不同时间段的电价差值获得收益。同时，系统预留有参与电力需求侧响应、电力调峰的功能，可在市场允许时迅速实现功能的扩展应用，增加储能系统的综合收益。浙江冠宇秦山工厂共有两条20kV专线供电，共计9台2500kVA变压器，总电力容量为22500kVA。其中第一路电源由110kV万兴变20kV冠宇D146线出线间隔接引，供电容量为12500kVA，共接入5台2500kVA变压器，布置于1#配电房内；第二路电源由110kV万兴变20kV电池D156线出线间隔接引，供电容量为10000kVA，共接入4台2500kVA变压器，分别布置于2#配电房和3#配电房内。20kV一次系统接线如下所示：图1-120kV母线配电系统一次图储能系统接入位置为110V万兴变20kV电池D156线出线间隔接引（2#进线）的2#配电房，就近接入配电房内新增开关柜。新增开关柜与2#配电房内已有H7联络柜采用母排拼柜，如图所示。图1-2配电房开关柜示意图

二系统特点本系统储能量为2MW/4MWh。储能电池系统集成于浙江冠宇设计的标准电池集装箱内，配合高精度BMS、汇流系统、热管理系统，并且通过外部的逆变器以及升压系统，最终与厂区20kV电网相连接，通过电网进行充电或者放电。该产品的主要特点如下：1）自主研发的磷酸铁锂电池体系，0.25C~1C倍率多场景应用；2）集装箱预装模式，安装便捷，交付周期短；3）标准化模块设计，灵活扩容；4）高能量密度，节约用地；5）长循环寿命，在70%EOL情况下，电池标准循环寿命超过6000次；6）一体化的液冷设计热管理系统，系统最大温差≤5℃，PACK内温差≤3℃，有效提升系统20%循环寿命；7）电气安全设计、结构安全设计、预警与消防设计与热管理设计相结合，四位一体，高安全运行。储能集装箱内主要包含以下设备：表2-1集装箱内主要设备序号项目规格/品牌数量单位备注1电池簇冠宇32簇包含电池模块及模块间连接2BMS三级式管理1套包括从控模块(128个)、主控模块(32个)、通信线(32套)和高压箱(32个)3直流汇流系统4套8进1出4热管理系统1套2台40kW制冷机组+5kW空调5箱体及附件40尺高箱含照明系统、配电箱、视频监控、环境传感器等

三实际需求本系统主要的功能为削峰填谷，即在每天的低谷电价时段内给储能集装箱充电，再在尖峰时段内释放电量给厂区负载，利用峰谷间的电价差获取收益。浙江冠宇动力电池有限公司于2021年底正式投产。由于产能正处于上升阶段，厂区用电负荷和用电量也随之上升。截至2021年7月，厂区的负荷功率由最初的1MW上升到7.3MW，用电量由2022年1月的726MWh上升到2022年7月的5452MWh，并且负荷仍在上升中。根据国网浙江省电力公司最新发布的《关于2022年8月代理工商业用户购电价格的公告》，浙江省大工业用电采用分时段电价计算方式。大工业用电分为三个时段：尖峰时段、高峰时段和低谷时段，其中尖峰时段基本电价1.2155元/kWh，低谷时段基本电价0.2941kWh，峰谷电价差价约0.92元/kWh。根据浙江省电力公司2021-2022年动态公布的大工业用电分时段电价变化，尖峰时段的价格为1.19-1.31元/kWh，低谷时段的价格为0.29-0.34元/kWh，峰谷电价差为0.89-0.98元/kWh，其中夏季较冬季为高。表3-1浙江省电力公司近期分时段电价明细时间尖峰时段电价（元/kWh）高峰时段电价（元/kWh）低谷时段电价（元/kWh）最大峰谷电价差（元/kWh）2021年12月1.19460.99320.30870.88592022年1月1.25051.03980.32320.92732022年2月1.25511.04360.32440.93072022年3月1.24411.03440.32150.92262022年4月1.31481.09320.33980.9752022年5月1.28171.06570.33120.95052022年6月1.25461.04320.32420.93042022年7月1.24461.05490.30160.9432022年8月1.21551.03060.29410.9214本项目总装机容量为2MW/4MWh，初始最大放电容量为4000kWh。根据浙江电网对峰谷时段的规定，每天的10:00至12:00，16:00至18:00为电价最高的尖峰时段，12:00至14:00，22:00至次日8:00为电价最低的低谷时段。图3-1分时段电价示意图出于经济利益最大化的目的，储能系统应当在电价最低的时间段吸收电能（充电），在电价最高的时间段放电。因此，系统的运行逻辑为：（第一个循环）22:00-8:00充电，10:00-12:00放电，充电倍率0.1-0.2C，放电倍率0.5C；（第二个循环）12:00-14:00充电，16:00-18:00放电，充电倍率0.5C，放电倍率0.5C。每天放电量8000kWh，系统效率按85%计算，则年收益为228.5万元；在10年的系统运营期内，系统预计运行6600个循环，累计收益约1977.29万元。

四系统配置4.1设备布局本储能系统为集装箱式储能系统，集装箱中设备布局如下：图4-1集装箱设备布局如图所示，集装箱内共包含32簇电池，每8簇电池接入1个汇流柜，4个汇流柜放置于集装箱的一侧。系统使用2台水冷机组和1台壁挂式空调进行温度管理，水冷机组与电池系统之间用隔板分隔。32簇电池共分为16个电池架，每两簇电池共用一个电池架，安装有8个电池模块和1个高压箱，如图所示。图4-2电池架及设备排布4.2电池系统高压回路4.2.1电池簇内连接每个电池簇包含4个电池模块。电池模块之间采用50mm2预制电缆连接。安装在同一个电池架上的两簇电池并联接入顶部的高压箱，1号模块的正极和4号模块的负极分别连接到高压箱的正极输入和负极输入。表4-1电池簇内连接形式序号模块号连接形式1模块1正极连接高压箱；负极连接模块22模块2正极连接模块1；负极连接模块33模块3正极连接模块2；负极连接模块44模块4正极连接模块3；负极连接高压箱高压箱内部包含熔断器、继电器和分流器器件。电池模块内部及高压箱使用50mm2电缆连接，电缆两端使用航空插头。4.2.2电池簇间连接高压箱PCS+和PCS-引出两根50mm2电缆到对应的汇流柜内断路器下口。高压箱与断路器一一对应，如图所示。图4-3高压箱对外输出4.3电池系统通信回路4.3.1通信总图下图为单台PCS下储能电池堆的通信架构图，集装箱系统包含4套相同的系统。图4-4电池堆通信架构图4.3.2电池簇内连接每簇电池包含4组BMU和1组BCU，电池簇内的BMU通过ISOSPI菊花链通信形式依次连接到高压箱内的BCU。4.3.3电池簇间连接BCU安装在高压箱内，4组BCU通过CAN通信接入1组BAU。五主要设备5.1电池系统电池系统的组成形式如下图所示：112只电芯组成1个电池模块，电芯连接方式为56S2P；4个电池模块串联组成1个电池簇，电池簇连接形式为224S2P；2个电池簇并联接入1个高压箱，高压箱连接形式为224S4P；4个高压箱并联组成1个汇流柜，汇流柜连接形式为224S16P；4个汇流柜并联组成1套电池系统，电池系统连接形式为224S64P。图5-1电池系统架构图表5-1电池系统配置表序号层级规格连接形式电芯数模块数簇数堆数1电芯3.2V/100Ah/////2电池模块179.2V/200Ah56S2P112///3电池簇716.8V/200Ah224S2P4484//4电池堆716.8V/1600Ah224S16P3584328/5整体系统716.8V/6400Ah224S64P143361283245.1.1储能电芯本项目的储能电芯由珠海冠宇动力电池有限公司（下称珠海冠宇）生产，电芯种类为聚合物锂离子电池。珠海冠宇生产的CA14L4W9B-100Ah聚合物锂离子电芯具有高安全性、高能量密度、长循环寿命、低成本等特点，在动力领域和储能领域均被广泛应用。以下是100Ah电芯的基本参数：表5-2100Ah电芯基本参数表编号项目规格备注1容量100Ah2标称电压3.2V3充电限制电压3.65V4放电限制电压2.2V5标准充电方式50A（0.5C）恒流充电到截止电压后恒压充电，直到电流降至5A（0.05C）6标准放电方式50A（0.5C）恒流放电到截止电压7最大持续充电电流100A（1C）8最大持续放电电流100A（1C）9工作温度范围0-60℃（充电）-20-65℃（放电）10工作湿度范围＜85%RH11存储温度范围-20-60℃（1个月）-20-45℃（3个月）-20-30℃（1年）12存储湿度范围＜90%RH13尺寸204*309*14mm（宽*高*深）最大值14重量＜1870g15开路电压3.250-3.330V16交流内阻≤1mΩ17能量密度≥190Wh/kgCA14L4W9B-100Ah电芯的外观如下图所示：图5-2100Ah电芯外观尺寸5.1.2电池模块电池模块概述本项目所采用的液冷电池模块为56S2P连接，模块由2个28S2P模组、箱体、液冷管路、采集通信线束和BMU等部件组成。BMU通过采集线束实时采集电池电压、温度等数据，并通过通信线束发送到上一级。电池模块组成电池模块内外部结构如图所示：图5-3电池模块及主要部件表5-3电池模块主要部件序号器件名称功能1电池模块正极2电池模块负极3MSD手动开关；可加熔断器4透气阀5通信接口与其它模块和高压箱级联6维护盖板拆开后操作BMS电路板7接地位置模块外壳与电池架相连8进水口连接内部液冷板9出水口连接内部液冷板每个电池模块上配有手动开关（MSD），当电池模块安装与接线时，应将MSD插头拔出。图5-4手动开关（MSD）电池模块内部布置有电压和温度采集线，共有56个电压采集点和56个温度采集点。电池模块接口电池模块接口包含电池回路、采集回路、通信回路和液冷回路等部分。电池回路通过前面板的高压接插件输出，电池模块通过带航空插头的线缆与其它设备连接。高压接插件的极性如下图所示，正极为红色，负极为黑色。采集回路一端与电池内部电压、温度采集点连接，另一端通过接插件接到BMU。BMU接口如图所示：图5-5BMU接口示意表5-4BMU线束定义序号接口名称针脚数功能1J116菊花链通信连接2J240电压采集1-14、温度采集1-143J336电压采集15-28、温度采集15-284J440电压采集29-42、温度采集29-425J536电压采集43-56、温度采集43-56通信回路通过前面板的低压通信插头输出，通信插头共4根线，插头内定义如下所示：图5-6电池模块通信插头表5-5通信插头线束定义PIN脚定义备注1IN-IPA连接上一个设备2OUT-IPB连接下一个设备3悬空4悬空5IN-IMA连接上一个设备6OUT-IMB连接下一个设备7悬空8悬空液冷回路包含电池模块前端的进、出水口和底部的液冷板。液冷板通过进、出水口与集装箱内的液冷机组连接，实现降温功能。电池模块参数表表5-6电池模块参数序号项目参数备注1成组方式56S2P2额定储能量35.84kWh@25℃P23额定电压179.2V4最大电压范围123.2-204.4V5推荐电压范围168-204.4V6额定功率17.92kW7充电温度范围0-55℃8放电温度范围-20-60℃9推荐温度范围25±3℃10存储温度范围0-45℃电池应每三个月循环一次11存储湿度范围＜70%RH12防护等级IP6713热管理方式液冷14通讯方式isoSPI15尺寸806*247*1088±2mm（宽*高*深）16重量275±3kg17海拔高度≤2000m5.1.3电池簇每个电池簇由4个标准电池模块串联组成，电池簇连接形式为224S2P，电压和容量分别为716.8V和200Ah。电池模块间使用动力线缆串联并接到高压箱，同时通过通信线束将每个模块上BMU的信息上传到高压箱内的BCU。每2个电池簇共用1个高压箱，安装在1个电池架上。电池簇1电池簇2电池簇1电池簇2图5-7电池簇外观电池簇的基本参数如下：表5-7电池簇参数序号项目参数备注1额定电压716.8V2电压范围560-817.6V平均电压2.5-3.65V3标称容量200Ah4成组配置224S2P5充放电倍率0.5C6冷却方式液冷7通信方式isoSPI8保护方式熔断器、断路器9尺寸（宽*高*深）892*2540*1063mm2簇尺寸；含电池架10重量2400kg2簇重量；含电池架11BMS配置BCU：1BMU：45.1.4电池堆8个电池簇组成1个电池堆，每个电池堆接入1台500kWPCS。电池堆的参数如下：表5-8电池堆参数序号项目参数备注1额定电压716.8V2电压范围560-817.6V平均电压2.5-3.65V3标称容量1600Ah4标称能量1000kWh5额定功率500kW6成组配置224S16P4个电池架；8个电池簇7充放电倍率0.5C8冷却方式液冷9BMS配置BAU：1BCU：8BMU：645.1.5集装箱级系统4个电池堆通过PCS并联，组成集装箱级储能系统。集装箱储能系统的容量为4MWh。整体系统的参数如下表所示：表5-9电池集装箱参数序号项目参数1集装箱规格40尺高箱2系统额定能量4MWh3系统额定电压716.8V4系统电压范围560-817.6V5持续充放电功率2000kW6循环寿命6000次@25℃90%DOD70%SOH7系统配置32簇8冷却方式液冷9使用温度范围-40℃-60℃10集装箱尺寸（宽*高*深）12192*3200*2638mm11消防配置七氟丙烷12防护等级IP5413供电电源380VAC14初始充放电转换效率>92%5.2电气系统5.2.1主回路电池模块之间，以及电池模块与高压箱之间使用50mm2航空插头线缆连接。每簇电池的正极和负极连接到电池架顶部的高压箱。图5-8单簇电池连接示意汇流柜8簇电池通过4个高压箱接入1个汇流柜，每个汇流柜对应1台500kWPCS，单个汇流柜接线图如下所示：图5-9汇流柜接线示意高压器件集装箱储能系统中包含16个高压箱，每个高压箱并联接入两簇电池。高压箱内包含两套独立的BCU、继电器、熔断器、分流器、预充电阻等器件，如图所示：图5-10高压箱内部器件5.2.2BMSBMS介绍电池管理系统（BMS）是电池系统的重要组成部分。在电池系统运行过程中通过对数据的实时监测和内部运算处理，与外部设备进行信息交换，实现对电池系统的可靠保护。为保证保护功能的稳定性，在储能系统中BMS一般采用多级分布式架构设计。本系统采用三级架构方案，系统具有功能覆盖广，体积小，抗干扰性能强，安全可靠等特点。BMS组成本系统使用的BMS由总控单元（BAU）、主控单元（BCM）以及从控单元（BMU）三级设备组成。储能系统共包含4套BMS（对应4个汇流柜），每套BMS下辖8个BCU（每两个BCU对应一个高压箱），每个BCU下辖4个BMU（对应4个电池模块）。表5-10BMS器件数量序号设备名称数量备注1BAU4总控，共4套2BCU32主控，每套8个3BMU128从控，每簇4个系统具备以下特点：1.高设计标准。产品软件、硬件、结构均按照汽车级标准进行设计；2.高安全性。保护功能完备，具有多重冗余保护措施，在各种超限及意外情况下亦可保证安全3.抗干扰能力强。针对储能系统功率大、布线复杂的特点，系统的I/O接口、通讯接口均采用有效的隔离和滤波，以适应实际应用中的恶劣环境；4.采集和SOC估算精度高。选用国际著名品牌高精度采样芯片，结合业界多种SOC算法的长处，并具有智能学习功能，保证采样和SOC估算的精度；5.丰富的外部接口。丰富的开关量，多种输入输出接口，满足各种项目要求；6.配置升级灵活。产品可根据不同的应用需求，利用上位机软件灵活配置，还可通过CAN通讯口实现程序快速升级。图5-11BMS三级式管理架构总控单元是BMS的控制核心，是所有电池数据信息的汇集点。一方面，它通过与主控单元及其下属的从控单元通讯，可以实现电池充放电管理、电池热管理、电池簇绝缘检测、电芯均衡管理和故障报警等功能；另一方面，总控单元通过通信总线与PCS、EMS、人机界面等装置进行通信，将电池信息、报警信号、干接点状态等发给上一级设备，实现整体储能系统的自动控制。图5-12总控单元BMS主控单元通过与从控单元通讯实现对电池单体电压、温度等的检测，并检测电池组总电压、充放电流、对地绝缘电阻等外特性参数、按照适当的算法对蓄电池内部状态（容量、SOC、SOH等）进行估算和监控，在此基础上实现了对蓄电池组的充放电管理、热管理、绝缘检测、单体均衡管理和故障报警；它可以通过通信总线实现与PCS、EMS、人机界面等装置实现数据交换，通过菊花链实现与从控单元通讯。图5-13主控单元图5-14主控单元构成从控单元作为BMS的基本组成部分，对储能电池组在成组使用时的安全应用以及寿命的延长等方面都起着决定性的作用。从控单元通过对各单体电池的电压和温度进行精确采集，实现对电池状态的实时监控。模块具有可靠的数据通讯功能，系统运行过程中，可实现与电池管理系统主控单元或者其他必要设备之间的通讯。设计中采用高可靠的汽车级控制芯片，并利用最新的采集技术，采集精度高，为SOC的预估提供了良好的物理基础。表5-11从控单元参数序号项目参数备注1电压采样范围0-5V2电压采样精度±3.0mV2.5-4.5V,-30-85℃3温度采样范围-40-125℃4温度采样点数量565温度采样精度≤2℃6均衡方式被动均衡7均衡电流100mA8工作功耗75mW/芯片高压区9休眠功耗5.5μA/芯片10绝缘电阻100MΩ电压采样端与外壳及数字接口端11额定工作电压1500V12耐压电压采样端与外壳及数字接口端之间施加50Hz3000VAC试验电压，1分钟无击穿无闪络13使用环境温度范围-30-85℃14湿度范围5%-95%无凝露15海拔范围≤4000m16存储环境-40-85℃图5-15从控单元BMS工作逻辑BMS上电逻辑如下图所示：图5-16BMS上电逻辑BMS运行和保护逻辑如图所示：图5-17BMS运行及保护逻辑BMS分为三级报警，分别对应不同的动作方式。一级报警：BMS发出报警信号，系统维持正常运行状态；二级报警：BMS发出请求降电流信号，5s后切断对应电池簇；（注：二级报警中的总压过高/过低、充电/放电过流、绝缘电阻过低和电池簇数过低触发时，BMS立即向EMS和PCS请求禁充、禁放或待机，5s后根据系统电流判断是否正常响应。当检测到禁充时不能将充电电流降至15A以下/禁放时不能将放电电流降至15A以下/待机时不能将电流降至15A以下，则判定为电流控制失效，将会触发三级报警。三级报警：立即向EMS和PCS请求停机，并且立刻断开PCS干接点，5s后切断所有簇接触器。5.2.3辅助供电回路集装箱配有一台交流配电箱和一台通信配电箱。交流配电箱主要给集装箱内的用电设备供电，如空调、冷水机、PCS、排风机等；通信配电箱安装在汇流柜内，主要给BMS相关设备以及消防、EMS等供电。配电箱原理图如下所示：图5-18交流配电箱图5-19通信配电箱5.3热管理系统5.3.1液冷系统液冷系统由冷水机组以及配套的管路系统组成。冷水机组冷水机组安装在集装箱内部，制冷功率为40kW。冷水机组的详细参数如图所示：表5-13冷水机组参数序号项目参数备注1型号GWHR-BP40BHF2额定制冷量40kW出水温度18℃环境温度40℃3额定制热量12kW水温10℃4额定制冷功率≤18.1kW出水温度18℃环境温度40℃5额定制热功率15kW水温10℃6能效比≥2.2出水温度18℃环境温度40℃7额定流量320L/min8额定扬程20m9环境温度-30-50℃10制冷剂R410A11外形尺寸（LxWxH）950*1380*1790mm12设备外观颜色RAL900113防护等级IP5514电源3*380V/50Hz+N+PE15建议空开3P，D63A16建议电源线规格3*16mm²+2*6mm²17环境标准ROHS认证18防腐等级C5/C液冷管路液冷管路连接冷水机组和电池系统。在设计过程中，根据电池系统的散热需求进行流量计算和器件选型，通过整体系统的规划与设计，确保到每个电池模块的流量合理分配，以保证整个集装箱的散热效果。本项目管路系统包含1套主管路和16套电池簇管路。主管路的组成如示意图5-20所示，最终以实际产品为准。图5-20液冷主管路示意电池簇管路的组成如图5-21所示，最终以实际产品为准。图5-21液冷电池簇分支管路示意地址：广东省珠海市斗门区井岸镇珠峰大道209号Email：P地址：广东省珠海市斗门区井岸镇珠峰大道209号Email：Public@|电话：+86-756-6321999传真：+86-756-63219005.3.2除湿设备由于液冷管路主要安装在电池簇内部，散热方式以热传导为主，极端情况下电池模块表面与集装箱内环境会出现温度差异。当环境湿度达到一定值（70%）时，就可能因为温差过大产生凝露现象，影响系统的电